[發明專利]一種拉曼光譜增強裝置及氣體分析系統

有效

• 申請號: 202110346685.5
• 申請日: 2021-03-31
• 公開（公告）號: CN113218930B
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 侯春彩;楊申昊;楊凌;趙韋靜;賈日波;李鑫
• 申請（專利權）人: 中國船舶重工集團公司第七一八研究所
• 主分類號: G01N21/65
• 分類號: G01N21/65;G01N21/01
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 楊瀟;廖輝

本發明公開了一種拉曼光譜增強裝置及氣體分析系統，拉曼光譜增強裝置包括光源系統、增強腔、樣品池及表面增強結構；增強腔為近共心腔，樣品池位于增強腔中心位置，表面增強結構設置在樣品池中心；光源系統提供的光束由入射孔進入，在增強腔內來回多次反射，在樣品池中心處形成兩個聚焦點，兩個聚焦點分別匯聚在表面增強結構的兩個側面，增強拉曼散射光。氣體分析系統包括拉曼光譜增強裝置、散射光收集系統和分析系統；樣品池中心處的拉曼散射光經散射光收集系統匯聚耦合后，由分析系統進行氣體拉曼信號分析。本發明能夠提升拉曼散射信號強度，進而提高拉曼光譜氣體檢測的靈敏度。

技術領域

本發明涉及拉曼光譜的技術領域，具體涉及一種拉曼光譜增強裝置及氣體分析系統。

背景技術

在石油煉化、工業生產、煤炭開采、鋼鐵冶煉等眾多生產過程中，對多組分混合氣體進行監測具有十分重要的意義。目前，在多組分氣體檢測技術中，氣相色譜和傅里葉變換得到了快速發展。氣相色譜儀在分析精度及分析周期上具有明顯優勢，但受分析原理的限制，氣相色譜需要載氣和色譜柱、復雜的氣路系統以及變溫變流速控制技術，且測量過程耗時長(響應時間通常需要數分鐘到數十分鐘)。傅里葉變換紅外光譜儀能夠對很多無機氣體和有機氣體進行分析，速度也較氣相色譜儀快很多，但混合氣體的紅外光譜重疊嚴重，需要借助復雜的信號處理技術分析譜峰，并且對無紅外吸收的N₂、O₂、H₂等雙原子分子氣體無能為力。

拉曼光譜是一種基于單色光非彈性散射的測量技術，單色光與分子相互作用，光子頻率發生改變，拉曼頻移的位置決定了待測物質的特性，而散射光的強度與物質的濃度成正比。將拉曼光譜技術應用于多組分氣體檢測領域具有更多優勢，比如相比氣相色譜儀，不需要分離氣體、不需要載氣、可實時分析；相比質譜儀，結構簡單、可分析同質量的物質、生產成本更低；相比于紅外光譜，可對沒有紅外吸收的氣體進行測量，無需更換檢測器件便可同時對有機物和無機物進行分析。

相比于固體、液體等樣品，氣體分子密度低、散射截面小，導致拉曼散射信號十分微弱，檢測靈敏度很低，使得拉曼光譜技術在氣體檢測領域的應用具有很大局限性。所以，提高拉曼光譜技術的氣體檢測靈敏度對打破以上局限至關重要。拉曼系統中常用的增強技術主要有共振拉曼光譜技術、表面增強拉曼技術、腔增強拉曼光譜技術。拉曼氣體檢測中應用較多的是腔增強技術，但這類腔增強技術的增強能力有限(～10²)，拉曼系統氣體檢測的靈敏度仍有待提升。相比于腔增強技術，表面增強技術的增強因子達到了10¹⁴，在提升拉曼光譜氣體檢測靈敏度的方面具有巨大潛力。但并未在拉曼光譜分析系統中應用。因此，需要一種拉曼光增強裝置彌補現有拉曼光譜系統的不足。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種拉曼光譜增強裝置及氣體分析系統，能夠提升拉曼散射信號強度，進而提高拉曼光譜氣體檢測的靈敏度。

本發明采用的技術方案如下：

一種拉曼光譜增強裝置，包括光源系統、增強腔、樣品池及表面增強結構；

所述增強腔為近共心腔，所述樣品池位于增強腔中心位置，表面增強結構設置在樣品池中心；所述光源系統提供的光束由入射孔進入，在增強腔內來回多次反射，在樣品池中心處形成兩個聚焦點，兩個聚焦點分別匯聚在表面增強結構的兩個側面，增強拉曼散射光。

進一步地，所述光源系統包括激光器、聚焦鏡及平面反射鏡；

所述激光器經過聚焦透鏡，再由平面反射鏡反射進入增強腔內，并在增強腔中心處聚焦。

進一步地，所述增強腔包括腔體和兩個凹面反射鏡；

兩個凹面反射鏡相對設置在所述腔體的兩個側壁上，且兩個凹面反射鏡共軸；其中一個反射鏡上方設置入射孔。

進一步地，所述樣品池包括樣品池腔體和四個窗口片；